WO2005009094A1 - Elektronisches modul und verfahren zur herstellung desselben - Google Patents

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WO2005009094A1
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plastic
lines
wiring block
electronic module
layer
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PCT/DE2004/001145
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English (en)
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Michael Bauer
Wolfram Eurskens
Rudolf Kerler
Heinz Pape
Peter Strobel
Stephan STÖCKL
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Infineon Technologies Ag
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Definitions

  • the invention relates to an electronic module with components that are electrically connected to a circuit carrier.
  • Such electronic modules have plate-shaped circuit carriers with multilayer rewiring layers.
  • Each rewiring layer can have an insulating layer and a wiring layer, as well as through contacts through the insulating layer.
  • the plate-shaped circuit board has rewiring layers on one or both sides and is equipped with components on one or both sides.
  • a three-dimensional expansion of this plate-shaped concept for modules is possible by stacking components on the circuit carrier. This concept is limited in its wiring technology when wiring a stack of components, has a very complex structure and is cost-intensive to manufacture.
  • the object of the invention is to provide an electronic module which can be produced cost-effectively, as well as a method and a device for producing the module.
  • an electronic module is provided with a first and a second component with connections on connection sides of the components.
  • the electronic Module has a wiring block with contact pads on its outside and with cables in its volume. Connect the cables in their volume, the contact pads on the outside electrically according to a circuit diagram.
  • the two components are arranged on different, not opposite outer sides of the wiring block and their connections are electrically connected to the contact connection areas.
  • the wiring block according to the invention is not built up in layers, but is based on a plastic volume through which the lines extend according to a circuit diagram.
  • the at least six outer sides of the wiring block can thus be provided for equipping with electronic components or components. It is characteristic that with the aid of the wiring block it is possible to arrange components not only on one side or on both sides on a circuit carrier, but also on the edge sides of the wiring block according to the invention.
  • the possibilities for designing circuits and for realizing circuits are expanded on the basis of the wiring block according to the invention, especially since any number of line nodes at which a plurality of lines are connected can be provided within the wiring block.
  • the routing in the line block is not limited to vertical and horizontal lines or vias. Rather, any cable routing can be implemented in the wiring block at different solid angles.
  • the lines within the wiring block can be carbonized plastic if the entire line block consists of a plastic mass.
  • Such carbonized lines in a plastic block can during construction of the plastic block or even after the construction of the plastic block by supplying energy.
  • Energy is supplied to the macromolecules of the plastic at interfaces or in the volume of a plastic block, so that the plastic is charred in a focus area of the energy source and thus the formation of conductive material by coking and / or sooting inside the plastic.
  • plastic block with carbonized lines is that three-dimensional wiring between the contact connection surfaces to be wired can be implemented on the outside of the wiring block without the need for complex rewiring layers or multi-layer substrates or through contacts in the wiring block.
  • the wiring block made of plastic with carbonized lines can be three-dimensional and have both vertical and horizontal lines, as well as lines at any desired solid angle, so that effective and short wiring distances can be achieved in the wiring block. This can reduce delays in the runtime within the electronic module, and the cable routing can be planned three-dimensionally.
  • passive, such as capacitive or inductive components can also be provided in the wiring block.
  • the lines have nanoparticles with carbonized short-circuit paths between the nanoparticles.
  • the wiring block has filling materials in addition to the plastic Form of nanoparticles. In order to connect these nanoparticles to form electrical lines, high-energy impulses can carbonize the material between the nanoparticles and thus create a connecting line.
  • the lines have anisotropically oriented nanoparticles.
  • filling nanoparticles present in the wiring block are initially anisotropically aligned by alternating electromagnetic fields or by microwave excitation and can agglomerate into lines.
  • a device for producing an electronic module has a mold for introducing plastic. Two focusable energy sources with an alignment device for guiding and superimposing the focus areas of the energy sources in the volume of the plastic to be introduced are used to form lines of the wiring block to be produced. In addition, the device has at least one casting device for the continuous or layer-by-layer filling of the casting mold with plastic, forming lines in the intended volume of the wiring block.
  • the cables can be inserted directly when the mold is filled with plastic using two energy sources, or if it is a transparent plastic, such as an acrylic resin, a wiring block can also be produced from it after the completion of a translucent plastic block the focus areas of the energy sources are guided through the block volume.
  • the energy sources can be laser devices which have an attachment or attachment for deflecting the laser beam and for superimposing two laser beams. The light intensity at the intersection of the two laser beams is so high that the plastic is charred or charred at these points.
  • a microprocessor is used to control the energy sources and in particular the laser devices, which coordinates the deflection devices for the laser beams in the case of laser devices.
  • Such a device has the advantage that it can be expanded as required if larger outer sides are required for the wiring block.
  • the focusable energy source has the advantage that lines are created within the plastic at the focal point if this leads to the formation of lines by an alignment mechanism in a predetermined direction.
  • a focusable energy source is also advantageous for non-transparent plastics, namely on the one hand to limit the local expansion of the conductor tracks and on the other hand to carbonize the surface of the plastic to a depth limited by the focus.
  • the device has a casting device for plastic.
  • This casting device serves on the one hand for the continuous or layer-by-layer filling of the casting mold with plastic.
  • connecting lines are introduced into the casting block with the aid of the focusable energy sources, so that a wiring block made of plastic is produced.
  • outer surfaces form on the bottom of the casting mold, on the side walls of the casting mold and on the top of the plastic mass, which are to be provided with contact connection surfaces at the penetration points of the carbonized lines.
  • laser devices are preferred as energy sources and are used for this device for producing an electronic module with a central wiring block.
  • electron beam and ion beam systems also provide high precision.
  • ultrasound energy sources and microwave devices can be used if flat or layered carbonized areas are to be realized, such as they can be produced, for example, for passive components as capacitor plates in the wiring block.
  • the type of energy source also determines the type of alignment device.
  • ion beam and electron beam systems are provided with electromagnetic actuators which allow the electron or ion beam to be guided along lines to be formed.
  • optical deflection means such as polygonal rotating mirrors and upstream or downstream lens systems, have proven particularly useful in order to deflect a focused laser beam along planned lines in the plastic wiring block.
  • a method for producing an electronic module with two components on different outer sides of a wiring block, which has electrical contact connection areas, has the following method steps.
  • plastic is placed in a mold to produce a raw plastic block.
  • the wiring block is removed from the casting mold.
  • contact connection areas are attached to the penetration points of the lines on the outer sides of the wiring block.
  • two or more components for an electronic module with their connections can be sen on different and not only on opposite outer sides of the wiring block.
  • a further embodiment of the method consists in first producing at least one plastic layer with lines and then implementing further plastic layers arranged on the first layer. By carbonizing the plastic and / or by agglomerating nanoparticles in the respective plastic layer, lines are produced within the layers and from layer to layer.
  • the end result is a wiring block that has at least six outer sides on which components of an electronic module to be wired can be applied in a spatial arrangement to one another.
  • the invention provides a medium in the form of a wiring block for electronic modules which, after heat has been supplied by means of energy bombardment, has electrically conductive structures or conductor tracks, alternatively such structures can also be created by electromagnetic structuring methods.
  • the conductor tracks are created by carbonizing the resin or sintering conductive nanoparticles that are added to the resin as a filler. After completion of the production of the conductor tracks in the casting resin, the plastic is hardened, which can also be done by supplying heat or radiation.
  • the resulting wiring block has a cuboid shape, on the outside of which contact pads can be metallized.
  • One of the outer sides can serve as a connection surface for a printed circuit board.
  • Semiconductor chips can be mounted on the outside in a flip-chip assembly Soldering or adhesive technology can be applied. Damaged semiconductor chips or components can be removed from the outside at any time and replaced by functional components, which makes maintenance, repair and repair easier.
  • the wiring block can be used as a circuit substrate multiple times without restrictions. The method for producing such a wiring block offers the possibility of realizing extremely flexible conductor track arrangements with complex rewiring at this production level. In addition, the wiring block can be inexpensively carried out in any three-dimensional wiring form.
  • FIG. 1 shows a schematic cross section through an electronic module, according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 2 shows a schematic diagram of a first embodiment of a device for producing an electronic module
  • FIG. 3 shows a schematic diagram of a second embodiment of a device for producing an electronic module
  • FIG. 4 shows a schematic cross section through a wiring block for an electronic module
  • FIG. 5 shows a schematic cross section through a wiring block according to FIG. 4 with a first connected semiconductor chip
  • FIG. 6 shows a schematic cross section through a wiring block according to FIG. 5 with three semiconductor chips connected to an electronic module of a second embodiment of the invention
  • Figure 7 shows a schematic cross section through a wiring block of Figure 6 with four semiconductor chips connected to an electronic module of a third embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows a module 25 with a wiring block 9 made of plastic 19, which has six outer sides, four outer sides 11, 12, 13 and 14 of which can be seen in this cross section.
  • the outside 14 is at the same time the underside of the wiring block 9 and has a component 6 in the form of a semiconductor chip, the dimensions of which protrude beyond the wiring block, so that edge sides of the semiconductor chip are freely accessible and have contact surfaces.
  • the back of this component 6 is glued or soldered to a superordinate circuit board 32 and the freely accessible contact surfaces arranged on the edge sides of the semiconductor chip are connected to the superordinate circuit of the circuit board 32 via bond connections 31.
  • the wiring block 9 has the outer sides 11 and 13 at right angles to the underside 14, which are " covered with the components 1 and 2 or with the component 3.
  • the components 1, 2 and 3 have external contacts in the form of flip Chip contacts on their connection sides 8.
  • the external contacts are arranged on corresponding contact pads 10 and connected to the lines 15 of the wiring block 9.
  • Node points 33 are arranged within the wiring block 9, at which a plurality of lines are brought together. At the other crossing points, the lines are routed past one another without touching each other.
  • the wiring block 9 provides complex wiring in this cross section of six components, the number of components 1, 2, 3, 4, 5 and 6 being expandable to an even larger electronic module.
  • FIG. 2 shows a schematic diagram of a first embodiment of a device for producing an electronic module.
  • This device has a casting mold 18 into which, in this embodiment of the invention, a transparent plastic 19 can be poured into a plastic raw block 26. Furthermore, the device has a casting device, not shown, with which the volume 16 of the casting mold 18 can be filled with the transparent plastic 19 to form the plastic raw block 26.
  • a transparent plastic in its viscous form, two energy sources 20 and 21 overlapping in their focus area can be aligned with the transparent plastic by means of alignment devices 22 and 23.
  • the transparent plastic 19 When irradiated, the transparent plastic 19 is not burdened by individual energy sources 20 and 21, which are preferably implemented by laser devices.
  • the focus point 24 can be guided through the volume 16 on any track, so that different conductor track structures can be written on.
  • the energy of each individual energy beam 27 and 28, is set in such a way that it cannot yet cause carbonization in the plastic 19 by itself, but if the focus areas are superimposed in the focus point 24, the carbon chains located there are carbonized to form electrical lines 15.
  • FIG. 3 shows a schematic diagram of a second embodiment of the device for producing an electronic module.
  • the energy sources 20 and 21 are laser devices 34 and 36, the energy beams 27 and 28 of which are deflected by tilting mirrors as alignment devices 22 and 23.
  • the laser beams 27 and 28 are shifted by the angle ⁇ or ⁇ , an overlay trace being drawn in the form of a line 15 in the plastic 19.
  • vertical lines or lines can be produced in the plastic 19 at any solid angle by the device of the second embodiment of the invention.
  • FIG. 4 shows a schematic cross section through a wiring block 9 for an electronic module.
  • FIG. 4 shows the result after all the conductor tracks have been produced and the plastic 19 has hardened, metal contact pads 10 being arranged at the penetration points 29 of the lines through the outer sides 11, 12, 13 and 14. Corresponding components are attached to the contact connection areas 10 of the outer sides 11, 12, 13 and 14 in order to implement an electronic module.
  • this wiring block only shows one button tentician 33 of three lines 15 according to a circuit diagram 17th
  • FIG. 5 shows a schematic cross section through a wiring block 9 according to FIG. 4 with a first connected component 4.
  • This component 4 is attached on the outside 12 and connected to the contact connection areas 10 with its component connections 7.
  • Components with the same functions as in the previous figures are identified by the same reference numerals and are not discussed separately.
  • FIG. 6 shows a schematic cross section through a wiring block 9 according to FIG. 5 with three connected components 1, 3, 4 to form an electronic module 30, a second embodiment of the invention.
  • This module 30 is arranged with the underside 14 of the wiring block 9 on a circuit board 32 of a higher-level circuit. All connections 7, the three components 1, 3 and 4 shown here can be connected to corresponding lines of the circuit board 32 with the circuit board 32 via the wiring block 9.
  • FIG. 7 shows a schematic cross section through a wiring block 9 of FIG. 6 with four connected components 1, 3, 4 and 6 to form an electronic module 35 of a third embodiment of the invention.
  • Components with the same functions as in the previous figures marked with the same reference numerals and not discussed separately.
  • This third embodiment of the invention according to FIG. 7 has a large-area electronic component 6 on the outside 14 of the wiring block 9, similar to that in FIG. 1, which is electrically connected to a circuit sub-board 32 via bond connections 31 and with its rear side on the circuit sub-board 32 is attached.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Structures Or Materials For Encapsulating Or Coating Semiconductor Devices Or Solid State Devices (AREA)
  • Electric Connection Of Electric Components To Printed Circuits (AREA)
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektronisches Modul (25) und ein Verfahren zur Herstellung desselben. Das elektronische Modul (25) weist mehrere Bauelemente (1-6) auf einem Verdrahtungsblock (9) angeordnet auf. Der Verdrahtungsblock (9) weist mehrere Außenseiten (11-14) auf und besitzt in seinem Volumen Leitungen (15), die Kontaktanschlussflächen (10) auf den Außenseiten (11-14) untereinander verbinden. Die Kontaktanschlussflächen (10) sind mit Bauelementanschlüssen (7) der Bauelemente (1-6) elektrisch verbunden.

Description

Beschreibung
Elektronisches Modul und Verfahren zur Herstellung desselben
Die Erfindung betrifft ein elektronisches Modul mit Bauelementen, die mit einem Schaltungsträger elektrisch verbunden sind.
Derartige elektronische Module weisen plattenförmige Schal- tungsträger mit mehrschichtigen Umverdrahtungslagen auf. Jede Umverdrahtungslage kann eine Isolierschicht und eine Verdrahtungsschicht, sowie Durchkontakte durch die Isolierschicht aufweisen. Dabei weist der plattenförmige Schaltungsträger einseitig oder beidseitig Umverdrahtungslagen auf und ist einseitig oder beidseitig mit Bauelementen bestückt. Eine dreidimensionale Erweiterung dieses plattenförmigen Konzeptes für Module ist durch Stapelung von Bauelementen auf dem Schaltungsträger möglich. Dieses Konzept ist in seiner Verdrahtungstechnik beim Verdrahten eines Stapels von Bauelemen- ten eingeschränkt, sehr komplex aufgebaut und ist in der Fertigung kostenintensiv.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein kostengünstig herstellbares elektronisches Modul, sowie ein Verfahren und eine Vorrich- tung zur Herstellung des Moduls anzugeben.
Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Erfindungsgemäß wird ein elektronisches Modul mit einem ersten und einem zweiten Bauelement mit Anschlüssen auf Anschlussseiten der Bauelemente vorgesehen. Das elektronische Modul weist einen Verdrahtungsblock mit Kontaktanschlussflächen auf seinen Außenseiten und mit Leitungen in seinem Volumen auf. Die Leitungen in seinem Volumen verbinden, die Kontaktanschlussflächen auf den Außenseiten elektrisch gemäß ei- nem Schaltplan, miteinander. Dabei sind die beiden Bauelemente auf unterschiedlichen, nicht gegenüberliegenden Außenseiten des Verdrahtungsblocks angeordnet und ihre Anschlüsse mit den Kontaktanschlussflächen elektrisch verbunden.
Der erfindungsgemäße Verdrahtungsblock ist nicht lagenweise aufgebaut, sondern basiert auf einem Kunststoffvolumen, durch das sich die Leitungen nach einem Schaltplan erstrecken. Somit können die mindestens sechs Außenseiten des Verdrahtungsblocks zum Bestücken mit elektronischen Bauteilen oder Bau- elementen vorgesehen werden. Kennzeichnend ist, dass es mit Hilfe des Verdrahtungsblocks möglich ist, Bauteile nicht nur einseitig oder beidseitig auf einem Schaltungsträger , sondern auch auf den Randseiten des erfindungsgemäßen Verdrahtungsblocks anzuordnen. Die Möglichkeiten, Schaltungen zu entwerfen und Schaltungen zu realisieren werden aufgrund des erfindungsgemäßen Verdrahtungsblocks erweitert, zumal innerhalb des Verdrahtungsblocks beliebig viele Leitungsknoten, an denen mehreren Leitungen zusammengeschlossen sind, vorgesehen werden können. Die Leitungsführung in dem Leitungsblock ist nicht auf vertikal und horizontal verlaufende Leitungen oder Durchkontakte begrenzt. Vielmehr können beliebige Leitungsführungen unter unterschiedlichen Raumwinkeln in dem Verdrahtungsblock realisiert werden.
Die Leitungen innerhalb des Verdrahtungsblocks können karbonisierter Kunststoff sein, wenn der gesamte Leitungsblock aus einer Kunststoffmasse besteht. Derartige karbonisierte Leitungen in einem Kunststoffblock können während des Aufbaus des Kunststoffblocks oder auch nach dem Aufbau des Kunststoffblocks durch Energiezufuhr realisiert werden. Dabei wird an Grenzflächen oder in dem Volumen eines Kunststoffblocks Energie den Makromolekülen des Kunststoffes zugeführt, so dass eine Verkohlung des Kunststoffes in einem Fokusbereich der Energiequelle und damit die Bildung von leitendem Material durch Verkokung und/oder Verrußung innerhalb des Kunststoffes erfolgt.
Ein Vorteil dieses Kunststoffblocks mit karbonisierten Leitungen ist es, dass dreidimensionale Verdrahtungen zwischen zu verdrahtenden Kontaktanschlussflächen auf den Außenseiten des Verdrahtungsblocks realisierbar sind, ohne dass in dem Verdrahtungsblock aufwendige Umverdrahtungslagen oder Mehrla- gensubstrate oder Durchkontakte vorzusehen sind.
Vielmehr kann der Verdrahtungsblock aus Kunststoff mit karbonisierten Leitungen dreidimensional gestaltet sein und dabei, sowohl senkrecht verlaufende, als auch waagerecht verlaufende Leitungen, sowie Leitungen unter jedem gewünschten Raumwinkel aufweisen, so dass effektive und kurze Verdrahtungsstrecken in dem Verdrahtungsblock erreicht werden. Damit können Lauf- zeitverzögerungen innerhalb des elektronischen Moduls vermindert werden, die Leitungsführungen können dreidimensional ge- plant werden. Durch Vorsehen von spiralförmigen oder flächigen Ausbildungen von Leitungen innerhalb des Verdrahtungsblocks können auch passive, wie kapazitive oder induktive Komponenten in dem Verdrahtungsblock vorgesehen werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weisen die Leitungen Nanopartikel mit karbonisierten Kurzschluss- Strecken zwischen den Nanopartikeln auf. In diesem Fall weist der Verdrahtungsblock neben dem Kunststoff Füllmaterialien in Form von Nanopartikeln auf. Um diese Nanopartikel zu elektrischen Leitungen miteinander zu verbinden, können energiereiche Impulse das Material zwischen den Nanopartikeln karbonisieren und somit eine Verbindungsleitung herstellen.
In weiteren Ausführungsformen der Erfindung weisen die Leitungen anisotrop ausgerichtete Nanopartikel auf. In diesem Fall werden zunächst ungeordnet im Verdrahtungsblock vorhandene füllende Nanopartikel durch elektromagnetische Wechsel- felder oder über Mikrowellenanregungen anisotrop ausgerichtet und können zu Leitungen agglomerieren.
Welcher Leitungstyp in dem elektronischen Modul und insbesondere in dem Verdrahtungsblock überwiegt, hängt einerseits von der Menge der Zugabe an Nanopartikeln und andererseits von der Art der Energiezufuhr durch elektromagnetische Anregung oder durch Wärmestrahlung, sowie von den Eigenschaften des Kunststoffes ab. Je höher der Vernetzungsgrad einer die Leiterbahn umgebenden Harzschicht ist, umso stabiler ist eine Leiterbahnführung. Dabei kann die direkt an die Leitung angrenzende Harzschicht während des Karbonisierens angehärtet oder ausgehärtet sein, so dass die "Rußleitung" mechanisch stabilisiert ist.
Der Übergang zu den auf den Außenseiten des Verdrahtungsblocks angeordneten Kontaktanschlussflächen kann dadurch realisiert sein, dass die Enden der karbonisierten Leitungen metallisiert sind. Durch diese abschließende Metallisierung an den Durchstoßpunkten der Leitungen durch die Außenseiten wer- den die karbonisierten Leitungen vor einem Oxidieren geschützt. Eine Vorrichtung zur Herstellung eines elektronischen Moduls weist eine Gießform zum Einbringen von Kunststoff auf. Zwei fokussierbare Energiequellen mit einer Ausrichtvorrichtung zum Führen und Überlagern der Fokusbereiche der Energiequel- len in dem Volumen des einzubringenden Kunststoffes, dienen der Bildung von Leitungen des herzustellenden Verdrahtungsblocks. Zusätzlich weist die Vorrichtung mindestens eine Gießvorrichtung zum kontinuierlichen oder schichtweise Auffüllen der Gießform mit Kunststoff unter Bilden von Leitungen in dem vorgesehenen Volumen des Verdrahtungsblocks auf.
Je nach Art des Kunststoffes können die Leitungen unmittelbar beim Auffüllen der Gießform mit Kunststoff durch zwei Energiequellen eingebracht werden, oder wenn es sich um einen transparenten Kunststoff, wie einem Acrylharz, handelt, kann auch nach Fertigstellung eines durchscheinenden Kunststoffblocks ein Verdrahtungsblock daraus hergestellt werden, indem die Fokusbereiche der Energiequellen durch das Blockvolumen geführt werden. Die Energiequellen können Lasergeräte sein, die einen Aufsatz oder Vorsatz zum Ablenken des Laserstrahls und zum Überlagern von zwei Laserstrahlen aufweist. Jeweils an den Kreuzungspunkten der beiden Laserstrahlen entsteht eine derart hohe Lichtintensität, dass der Kunststoff an diesen Stellen verkohlt oder verkokst wird. Zum Steuern der Energie- quellen und insbesondere der Lasergeräte wird ein Mikroprozessor eingesetzt, der im Falle von Lasergeräten die Ablenkeinrichtungen für die Laserstrahlen koordiniert.
Eine derartige Vorrichtung hat den Vorteil, dass sie beliebig erweiterbar ist, wenn größere Außenseiten für den Verdrahtungsblock erforderlich werden. Für transparente Kunststoffe hat die fokussierbare Energiequelle den Vorteil, dass Leitungen innerhalb des Kunststoffes im Fokuspunkt entstehen, wenn dieser von einer Ausrichtmechanik in einer vorgegebenen Richtung zur Bildung von Leitungen führt. Auch für nicht transparente Kunststoffe ist eine fokussierbare Energiequelle von Vorteil, nämlich einerseits um die lokale Ausdehnung der Leiterbahnen zu begrenzen und andererseits um eine Karbonisierung des Kunststoffs der Oberfläche, bis zu einer durch den Fokus begrenzten Tiefe herzustel- len.
Zusätzlich zu Gießform und fokussierbarer Energiequelle, weist die Vorrichtung eine Gießvorrichtung für Kunststoff auf. Diese Gießvorrichtung dient einerseits dem kontinuierli- chen oder dem schichtweise Auffüllen der Gießform mit Kunststoff. Während des Auffüllens oder nach Auffüllen jeweils einer dünnen Schicht, werden mit Hilfe der fokussierbaren Energiequellen Verbindungsleitungen in den Gießblock eingebracht, so dass ein Verdrahtungsblock aus Kunststoff entsteht. Gleichzeitig und kontinuierlich oder schichtweise bilden sich Außenflächen am Boden der Gießform, an Seitenwänden der Gießform und auf der Oberseite der Kunststoffmasse aus, die mit Kontaktanschlussflächen an den Durchstoßpunkten der karbonisierten Leitungen zu versehen sind.
Aufgrund der hohen Verfügbarkeit und der hohen Präzision werden Lasergeräte als Energiequellen bevorzugt und für diese Vorrichtung zur Herstellung eines elektronischen Moduls mit einem zentralen Verdrahtungsblock eingesetzt. Eine hohe Prä- zision liefern jedoch auch Elektronenstrahl- und Ionenstrahl- Anlagen. Ferner können Ultraschall-Energiequellen und Mikrowellengeräte eingesetzt werden, wenn flächige oder schicht- förmige karbonisierte Bereiche realisiert werden sollen, wie sie beispielsweise für passive Bauelemente als Kondensatorplatten in dem Verdrahtungsblock herstellbar sind.
Die Art der Energiequelle bestimmt auch die Art der Ausricht- Vorrichtung. So sind Ionenstrahl- und Elektronenstrahl- Anlagen mit elektromagnetischen Stellgliedern versehen, die ein Führen des Elektronen- beziehungsweise Ionenstrahls entlang zu bildender Leitungen erlauben. Bei Lasergeräten haben sich besonders optische Ablenkmittel, wie polygonale Dreh- spiegel und vorgeschaltete oder nachgeschaltete Linsensysteme bewährt, um die Ablenkung eines fokussierten Laserstrahls entlang von geplanten Leitungen in dem Verdrahtungsblock aus Kunststoff zu führen.
Ein Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Moduls mit zwei Bauelementen auf unterschiedlichen Außenseiten eines Verdrahtungsblocks, der elektrische Kontaktanschlussflächen aufweist, hat die nachfolgenden Verfahrensschritte.
Zunächst wird Kunststoff in eine Gießform zum Herstellen eines Kunststoffrohblocks eingebracht. Anschließend kann ein partielles Karbonisieren des Kunststoffes und/oder partielles Agglomerieren von Nanopartikeln in dem Kunststoffrohblock zu Leitungen eines Verdrahtungsblocks nach vorgegebenem Schal- tungsplan mittels Einstrahlen von Energie von zwei fokussierten und geführten Energiestrahlen von Energiequellen erfolgen. Nach dem Herstellen der Leitungen in dem Verdrahtungsblock und einem Aushärten des Verdrahtungsblocks wird der Verdrahtungsblock aus der Gießform entnommen. Anschließend werden an den Durchstoßpunkten der Leitungen auf den Außenseiten des Verdrahtungsblocks Kontaktanschlussflächen angebracht. Schließlich können den Außenflächen zwei oder mehr Bauelemente für ein elektronisches Modul mit ihren Anschlüs- sen an unterschiedlichen und nicht nur an gegenüberliegenden Außenseiten des Verdrahtungsblocks angebracht werden.
Eine weitere Durchführungsform des Verfahrens besteht darin, dass zunächst mindestens eine Kunststoffschicht mit Leitungen hergestellt wird und anschließend weitere auf der ersten Schicht angeordnete Kunststoffschichten realisiert werden. Durch Karbonisieren des Kunststoffs und/oder durch Agglomerieren von Nanopartikeln in der jeweiligen KunststoffSchicht werden Leitungen innerhalb der Schichten und von Schicht zu Schicht hergestellt. Auch hier ist das Endergebnis ein Verdrahtungsblock, der mindestens sechs Außenseiten aufweist, auf denen zu verdrahtende Bauteile eines elektronischen Moduls in räumlicher Anordnung zueinander aufgebracht werden können.
Zusammenfassend ist festzustellen, dass die Erfindung ein Medium in Form eines Verdrahtungsblocks für elektronische Module vorsieht, der nach Wärmezufuhr mittels Energiebeschuss e- lektrisch leitfähige Strukturen oder Leiterbahnen aufweist, wobei alternativ derartige Strukturen auch durch elektromagnetische Strukturierungsverfahren entstehen können. Die Leiterbahnen entstehen dabei durch Karbonisieren des Harzes oder Sintern von leitfähigen Nanopartikeln, die dem Harz als Fül- 1er beigemischt sind. Nach Abschluss der Herstellung der Leiterbahnen in dem Gießharz, wird der Kunststoff gehärtet, was ebenfalls durch Wärme- oder Strahlungszufuhr erfolgen kann.
Der damit entstandene Verdrahtungsblock hat eine Quaderform, auf dessen Außenseiten Kontaktanschlussflächen metallisiert werden können. Dabei kann eine der Außenseiten als Anschlussfläche für eine Leiterplatte dienen. Auf die Außenseiten können jeweils Halbleiterchips in einer Flip-Chip-Montage durch Löt- oder Klebetechnik aufgebracht werden. Beschädigte Halbleiterchips oder Bauteile können von den Außenseiten jederzeit entfernt und durch funktionsfähige Bauteile ersetzt werden, was die Wartung, Instandhaltung und Reparatur erleich- tert. Der Verdrahtungsblock, kann als Schaltungssubstrat ohne Einschränkungen mehrfach verwendet werden. Dabei bietet das Verfahren zur Herstellung eines derartigen Verdrahtungsblocks die Möglichkeit äußerst flexible Leiterbahnanordnungen mit komplexen Umverdrahtungen bereits auf dieser Herstellungsebe- ne zu verwirklichen. Darüber hinaus kann der Verdrahtungsblock kostengünstig in jeder beliebigen dreidimensionalen Verdrahtungsform ausgeführt werden.
Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
Figur 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein e- lektronisches Modul, gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
Figur 2 zeigt eine Prinzipskizze einer ersten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Herstellung eines elektronischen Moduls,
Figur 3 zeigt eine Prinzipskizze einer zweiten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Herstellung eines elektronischen Moduls,
Figur 4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Verdrahtungsblock für ein elektronisches Modul, Figur 5 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Verdrahtungsblock gemäß Figur 4 mit einem ersten angeschlossenen Halbleiterchip,
Figur 6 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Verdrahtungsblock gemäß Figur 5 mit drei angeschlossenen Halbleiterchips zu einem elektronischen Modul einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
Figur 7 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Verdrahtungsblock der Figur 6 mit vier angeschlossenen Halbleiterchips zu einem elektronischen Modul einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
Figur 1 zeigt ein Modul 25 mit einem Verdrahtungsblock 9 aus Kunststoff 19, der sechs Außenseiten besitzt, von denen in diesem Querschnitt vier Außenseiten 11, 12, 13 und 14 zu sehen sind. Die Außenseite 14 ist in dieser Ausführungsform der Erfindung gleichzeitig die Unterseite des Verdrahtungsblocks 9 und weist ein Bauelement 6 in Form eines Halbleiterchips auf, der in seinen Abmessungen den Verdrahtungsblock überragt, so dass Randseiten des Halbleiterchips frei zugänglich sind und Kontaktflächen aufweien. Die Rückseite dieses Bauelementes 6 ist auf eine übergeordnete Schaltungsplatine 32 geklebt oder gelötet und die auf den Randseiten des Halbleiterchips angeordneten frei zugänglichen Kontaktflächen sind über Bondverbindungen 31 mit der übergeordneten Schaltung der Schaltungsplatine 32 verbunden.
Der Verdrahtungsblock 9 weist rechtwinkelig zu der Unterseite 14 die Außenseiten 11 und 13 auf, die "mit den Bauelementen 1 und 2 beziehungsweise mit dem Bauelement 3 bedeckt sind. Die Bauelemente 1, 2 und 3 weisen Außenkontakte in Form von Flip- Chip-Kontakten auf ihren Anschlussseiten 8 auf. Die Außenkontakte sind auf entsprechenden Kontaktanschlussflächen 10 angeordnet und mit den Leitungen 15 des Verdrahtungsblocks 9 verbunden. Innerhalb des Verdrahtungsblocks 9 sind Knoten- punkte 33 angeordnet, an denen mehrere Leitungen zusammengeführt werden. An den übrigen Kreuzungspunkten werden die Leitungen ohne Berührung zueinander aneinander vorbeigeführt. Somit stellt der Verdrahtungsblock 9 eine komplexe Verdrahtung in diesem Querschnitt von sechs Bauelementen zur Verfü- gung, wobei die Anzahl der Bauelemente 1,2,3,4,5 und 6 beliebig zu einem noch größeren elektronischen Modul erweiterbar ist .
Figur 2 zeigt eine Prinzipskizze einer ersten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Herstellung eines elektronischen Moduls. Diese Vorrichtung weist eine Gießform 18 auf, in die bei dieser Ausführungsform der Erfindung ein transparenter Kunststoff 19 zu einem Kunststoffrohblock 26 eingießbar ist. Ferner weist die Vorrichtung eine nicht gezeigte Gießvorrich- tung auf, mit der das Volumen 16 der Gießform 18 mit dem transparenten Kunststoff 19 zu dem Kunststoffrohblock 26 befüllt werden kann. Auf dem transparenten Kunststoff in seiner zähviskosen Form können von zwei sich in ihrem Fokusbereich überlappenden Energiequellen 20 und 21 mit Hilfe von Aus- richtvorrichtungen 22 und 23 Energiestrahlen 27 und 28 auf den transparenten Kunststoff ausgerichtet werden.
Der transparente Kunststoff 19 ist beim Bestrahlen durch einzelne Energiequellen 20 und 21, die vorzugsweise durch Laser- gerate realisiert werden, nicht belastet. Der Fokuspunk 24 kann auf beliebiger Spur durch das Volumen 16 geführt werden, so dass unterschiedliche Leiterbahnstrukturen beschreibbar sind. Die Energie jedes einzelnen Energiestrahls 27 und 28, ist so eingestellt, dass sie noch keine Karbonisierung in dem Kunststoff 19 für sich alleine hervorrufen kann, jedoch bei Überlagerung der Fokusbereiche im Fokuspunk 24, werden die dort befindliche Kohlenstoffketten zu elektrischen Leitungen 15 karbonisiert.
Figur 3 zeigt eine Prinzipskizze einer zweiten Ausführungsform der Vorrichtung zur Herstellung eines elektronischen Moduls. In dieser zweiten Ausführungsform der Erfindung sind die Energiequellen 20 und 21 Lasergeräte 34 und 36, deren E- nergiestrahlen 27 beziehungsweise 28 durch Kippspiegel als Ausrichtvorrichtungen 22 und 23 abgelenkt werden. Bei einem Kippwinkel von ß/2 beziehungsweise γ/2 werden die Laserstrahlen 27 und 28 um den Winkel ß beziehungsweise γ verschoben, wobei eine Überlagerungsspur in Form einer Leitung 15 in dem Kunststoff 19 gezeichnet wird. Durch entsprechende Verschiebung der Fokusbereiche können auch vertikale Leitungen oder Leitungen unter einem beliebigen Raumwinkel in den Kunststoff 19 durch die Vorrichtung der zweiten Ausführungsform der Er- findung hergestellt werden.
Figur 4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Verdrahtungsblock 9 für ein elektronisches Modul. Damit gibt Figur 4 das Ergebnis an, nachdem sämtliche Leiterbahnen her- gestellt sind und der Kunststoff 19 ausgehärtet ist, wobei an den Durchstoßpunkten 29 der Leitungen durch die Außenseiten 11, 12, 13 und 14 Kontaktanschlussflächen 10 aus Metall angeordnet sind. Auf den Kontaktanschlussflächen 10 der Außenseiten 11, 12, 13 und 14 werden entsprechende Bauelemente an- gebracht, um ein elektronisches Modul zu realisieren. Im Unterschied zu der Ausführungsform des Verdrahtungsblocks der Figur 1, zeigt dieser Verdrahtungsblock lediglich einen Kno- tenpunkt 33 von drei Leitungen 15 gemäß eines Schaltplanes 17.
Figur 5 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Verdrahtungsblock 9 gemäß Figur 4 mit einem ersten angeschlossenen Bauelement 4. Dieses Bauelement 4 ist auf der Außenseite 12 angebracht und an den Kontaktanschlussflächen 10 mit seinen Bauelementanschlüssen 7 angeschlossen. Komponenten mit gleichen Funktionen, wie in den vorhergehenden Figuren werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert.
Über diesen relativ einfachen Schaltungs- oder Verdrahtungsplan 17 des Verdrahtungsblocks 9 werden weitere elektronische Bauteile untereinander mittels Leitungen 15 verbunden.
Figur 6 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Verdrahtungsblock 9 gemäß Figur 5 mit drei angeschlossenen Bauelementen 1, 3, 4 zu einem elektronischen Modul 30, einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Dieses Modul 30 ist mit der Unterseite 14 des Verdrahtungsblocks 9 auf einer Schaltungsplatine 32 einer übergeordneten Schaltung angeordnet. Über den Verdrahtungsblock 9 können mit der Schaltungsplatine 32 sämtliche Anschlüsse 7, der drei hier gezeigten Bauelemente 1, 3 und 4 mit entsprechenden Leitungen der Schaltungsplatine 32 verbunden werden.
Figur 7 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Verdrahtungsblock 9 der Figur 6 mit vier angeschlossenen Bau- elementen 1, 3, 4 und 6 zu einem elektronischen Modul 35 einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Komponenten mit gleichen Funktionen, wie in den vorhergehenden Figuren werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert .
Diese dritte Ausführungsform der Erfindung gemäß Figur 7 weist ein großflächiges elektronisches Bauteil 6 auf der Außenseite 14 des Verdrahtungsblocks 9, ähnlich wie in Figur 1 auf, das über Bondverbindungen 31 mit einem Schaltungs- subsplatine 32 elektrisch verbunden ist und mit seiner Rückseite auf dem Schaltungssubsplatine 32 befestigt ist.

Claims

Patentansprüche
1. Elektronisches Modul mit einem ersten (1,2,3) und einem zweiten (4,5,6) Bauelement mit Anschlüssen (7) auf An- Schlussseiten (8) der Bauelemente (1-6), einem Verdrahtungsblock (9) mit Kontaktanschlussflächen auf seinen Außenseiten (11-14) und mit Leitungen (15) in seinem Volumen (16) , wobei die Leitungen (15) die Kontaktanschlußflächen (10) auf den Außenseiten (11-14) elekt- risch nach einem Schaltplan (17) miteinander verbinden und die beiden Bauelemente (1-6) auf unterschiedlichen nicht gegenüberliegenden Außenseiten (11,12,13,14) des Verdrahtungsblocks (9) angeordnet und ihre Anschlüsse (7) mit den Kontaktanschlussflächen (10) verbunden sind.
2. Elektronisches Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die Leitungen (15) karbonisierten Kunststoff aufweisen.
3. Elektronisches Modul nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , dass die Leitungen (15) Nanopartikel mit karbonisierten Kurzschlussstrecken zwischen den Nanopartikeln aufweisen.
4. Elektronisches Modul nach Anspruch 1 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungen (15) anisotrop ausgerichtete Nanopartikel aufweisen.
5. Vorrichtung zur Herstellung eines elektronischen .Moduls, die folgende Merkmale aufweist: eine Gießform (18) zum Einbringen von Kunststoff (19), zwei fokussierbare Energiequellen (20,21) mit einer Ausrichtvorrichtung (22,23) zum Führen und Überlagern der Fokusbereiche (24) der Energiequellen (20,21) in dem Volumen des einzubringenden Kunst- Stoffes (19) zur Bildung von Leitungen (15) des herzustellenden Verdrahtungsblocks (9), mindestens eine Gießvorrichtung zum kontinuierlichen oder schichtweisen Auffüllen der Gießform (18) mit Kunststoff (19) unter Bilden von Leitungen (15) in dem vorgesehene Volumen (16) des Verdrahtungsblocks (9) .
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die fokussierbaren Energiequellen (20,21) Lasergeräte sind.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch geke nzeichnet, dass die Vorrichtung zur Steuerung der Energiequellen (20,21) einen Mikroprozessor aufweist,
8. Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Moduls (25) mit zwei Bauelementen (1-6) auf unterschiedlichen Außenseiten (11-14) eines Verdrahtungsblocks (9), der elektrische Kontaktanschlussflächen (10) aufweist, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist: Einbringen von Kunststoff (19) in eine Gießform (18) zum Herstellen eines Kunststoffrohblocks (26) - partielles Karbonisieren des Kunststoffes (19) und/oder partielles Agglomerieren von Nanopartikeln in dem Kunststoffrohblock (26) zu Leitungen (15) eines Verdrahtungsblocks (9) nach vorgegebenem Schaltungsplan (17) mittels Einstrahlen von Energie von zwei fokussierten und geführten Energiestrahlen (27,28) von Energiequellen (20,21) Entnahme des Verdrahtungsblocks (9) aus der Gieß- form (18) Aufbringen von Kontaktanschlußflächen (10) an Durchstoßpunkten (29) der Leitungen (15) auf den Außenseiten (11-14), Aufbringen von zwei Bauelementen (1-6) mit ihren Anschlüssen (7) an unterschiedlichen und nicht gegenüberliegenden Außenseiten (11-14) des Verdrahtungsblocks .
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst mindestens eine Kunststoffschicht mit Leitungen (15) hergestellt wird und anschließend weitere auf der ersten Schicht angeordnete Kunststoffschichten realisiert werden, wobei durch Karbonisieren des Kunststoffes (19) und/oder durch Agglomerieren von Nanopartikeln in der jeweiligen KunststoffSchicht Leitungen (15) innerhalb der Schichten und von Schicht zu Schicht hergestellt werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbringen von Energie zur Bildung von Leitungen (15) mittels Mikrowellenanregung oder mittels elektromagnetischer Strahlung oder mittels Ultraschällstrahlung erfolgt.
PCT/DE2004/001145 2003-06-27 2004-06-04 Elektronisches modul und verfahren zur herstellung desselben WO2005009094A1 (de)

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